市政污泥水热法脱水试验研究

2021-03-13周吉奎刘牡丹刘勇马致远

工业用水与废水 2021年1期

周吉奎，刘牡丹，刘勇，马致远

（广东省科学院资源综合利用研究所广东省矿产资源开发与综合利用重点实验室稀有金属分离与综合利用国家重点实验室，广州 510651）

市政污泥是污水处理过程的副产物［1］，具有双重特性：一方面污泥中含有氮、磷、钾等营养物质和大量有机质，具备制造肥料和作为燃料的基本条件［2-5］；另一方面污泥中又含有大量病原菌、寄生虫以及生物难降解物质和重金属离子等有毒有害物质，对环境有危害作用［6-8］。

污泥减量化、稳定化、无害化处理的关键是减少污泥体积，对于已产生的污泥，水分是构成其体积的主要因素［9］。通过脱水实现减量化，然后进一步经过无害化、稳定化处理，污泥就具有很好的资源化利用价值［10］。研究表明，市政污泥脱水困难的主要原因是由微生物体及其胞外物组成的胶团中所禁锢的水分难以通过热运动脱除［11］。水热法技术是在一定温度和压力下使污泥微生物细胞破碎，胶体结构破坏，粘度降低，胞内水、毛细吸附水和表面吸附水大量析出，从而提高污泥的脱水性能［12］。另外，水热法处理过程中大分子有机物发生水解，污泥的生物降解性能得到改善，能与厌氧消化、焚烧及堆肥等工艺直接对接，提高了污泥后续处置的可行性及经济性，能大幅度降低污泥运输、处理及处置的成本，减少二次污染及温室气体排放［13-14］。

本研究采用自控水热反应釜进行污泥脱水试验，考察了反应温度、保温时间、泥浆浓度、 pH值、泥浆过滤温度等工艺条件对污泥脱水效果的影响，在优化条件下取得了良好的脱水效果，对实现市政污泥的减量化、稳定化、无害化和资源化处理处置具有指导意义。

1 材料与方法

1.1 试验污泥

试验污泥取自广州大坦沙污水处理厂，呈半固态、黏稠状、灰褐色，污泥含水率为75.81%，有机质质量分数为36.70%。无机营养元素氮、磷、钾质量分数分别为1.90%、 3.01%、 1.01%，镉、铅、铬、铜、锌、镍等6 种重金属的质量分数分别为2.2、573、 112、 227、 555、 40 mg／kg，其中锌和铅的含量稍高于酸性土壤的最高容许含量，其他指标符合GB 4284—2018《农用污泥污染物控制标准》［15］。

1.2 试验设备

试验设备为AC500 型的微型自控水热反应釜，内罐为C276 材质，耐受300 ℃高温，可实现温度、时间的自动控制，磁力搅拌，以保证反应体系的充分混合传质。

1.3 试验方法

每次称取200 g 生污泥装入反应釜内罐中，在不同的反应温度、 pH 值、泥浆浓度、保温时间等条件下进行水热反应，反应结束后用自来水冷却反应釜至一定温度，趁热取出水热泥浆并置于装有定量滤纸的布氏漏斗中，真空抽滤，无滤液流出时表明达到脱水终点。水热滤渣称重后，置于105 ℃恒温烘箱中烘干至恒重，计算含水量及脱水率。

1.4 分析方法

测定真空抽滤后的水热滤渣含水率，可以计算污泥的脱水率和降解失重率。污泥含水率采用恒重法测定，将经过真空抽滤脱水后的泥饼称重，再将其放入烘箱中在105 ℃温度下烘干至恒重。生污泥含水率C、水热滤渣含水率S、污泥脱水率D、污泥降解失重率L 的计算公式如下：

式中： m1为生污泥样品的质量， g； m2为生污泥样品烘干后的质量， g； m3为水热滤渣样品的质量， g； m4为水热滤渣样品烘干后的质量， g。

2 结果与讨论

2.1 反应温度对污泥脱水效果的影响

在200 g 生污泥中加入100 mL 水，调节泥浆pH 值为6.85，分别在150、 160、 170、 180、 190、200 ℃条件下进行水热反应，保温时间为45 min，反应完成后，泥浆冷却至80 ℃抽滤脱水，考察反应温度对污泥脱水的影响，结果见图1。

图1 反应温度对污泥脱水效果的影响Fig. 1 Effect of reaction temperature on sludge dewatering

由图1 可知，随着反应温度升高，污泥含水率逐渐降低，其中最合适的污泥水热反应温度为180℃，脱水效果非常明显。同时，在水热反应过程中污泥微生物细胞破碎，胶体结构破坏，大分子有机物发生水解，产生的小分子物质溶于水中而被过滤脱除，使得污泥干物质量减少，污泥降解失重率分别为19.85%、 22.58%、 22.91%、 24.67%、 24.98%、24.72%，当水热反应温度达到180 ℃时，失重率趋于稳定，因此选择180 ℃为污泥脱水反应温度。

2.2 保温时间对污泥脱水效果的影响

在200 g 生污泥中加入100 mL 水，调节泥浆pH 值为6.85，在180 ℃条件下进行水热反应，保温时间分别为15、 30、 45、 60、 75 min，反应完成后，冷却至80 ℃抽滤脱水，考察保温时间对污泥脱水的影响，结果见图2。

图2 保温时间对污泥脱水效果的影响Fig. 2 Effect of holding time on sludge dewatering

由图2 可知，在保温时间为30 min 时脱水效果最好，延长保温时间，水热滤渣含水率不会继续下降，甚至稍有上升。这说明在180 ℃下保温30 min，污泥中微生物细胞破解完全，胞内有机物质以及细胞内部紧密结合的内部水完全释放，另外，难溶于水的长链有机大分子物质逐渐降解为短链小分子亲水性物质，使其粘度降低，改善了水热污泥的脱水能力［16］。试验中污泥降解失重率分别为20.53%、 24.33%、 24.67%、 25.98%、 26.84%，表明污泥降解失重率随着保温时间延长而不断增大，因此应严格控制水热反应时间。考虑到脱水效果，选择保温时间为30 min。

2.3 泥浆浓度对水热法脱水效果的影响

在200 g 生污泥中分别添加50、 100、 150、 200 mL 水，调节泥浆含水率分别为80.65%、 83.87%、86.18%、 87.91%，控制pH 值为6.85，在180 ℃条件下保温30 min，冷却至80 ℃抽滤脱水，考察泥浆浓度对污泥脱水的影响，结果见图3。

图3 泥浆浓度对脱水效果的影响Fig. 3 Effect of slurry concentration on dewatering

由图3 可知， 4 种泥浆浓度下水热滤渣含水率分别为49.89%、 49.63%、 49.71%、 50.26%，污泥脱水率分别为76.07%、 76.64%、 76.42%、 76.25%，脱水效果良好。水的添加量越多，反应物体积越大，能耗越高，因此成本越高。本试验条件下污泥降解失重率分别为24.67%、 24.91%、 25.24%、 26.35%，表明污泥中添加水量过多，会造成污泥降解失重率增大，对污泥燃料利用和土地利用不利，因此需要控制泥浆的含水量不能过高。综合考虑脱水效果及运行成本，选择200 g 生污泥中添加100 mL 水的比例进行水热反应，两者的质量比约为2 ∶1。

2.4 pH 值对污泥脱水效果的影响

在200 g 生污泥中加入100 mL 水，采用硫酸、氢氧化钠调节反应体系pH 值为1.50、 3.50、 6.85、11.00、 13.00，在180 ℃条件下保温30 min，冷却至80 ℃时抽滤脱水，在不同pH 值条件下进行污泥脱水试验，结果见图4。

图4 反应体系pH 值对污泥脱水效果的影响Fig. 4 Effect of pH value of reaction system on sludge dewatering

由图4 可知，在pH 值为6.85 的中性条件下，污泥脱水效果最好，水热滤渣含水率为49.89%，污泥脱水率为76.07%；在pH 值为1.50 和3.50 的酸性条件下，水热滤渣含水率分别为52.76%和51.61%，污泥脱水率分别为73.68%和74.43%；在碱性条件下，经过水热反应后的污泥变得非常粘稠，无法过滤脱水，分析其原因可能是在高温条件下氢氧化钠与污泥中硅质矿物发生化学反应生成了硅酸钠，使得泥浆粘度增大［17］。因此，选择pH 值为6.85 的中性条件进行污泥水热反应。

2.5 过滤温度对脱水效果的影响

在200 g 生污泥中加入100 mL 水，调节泥浆的pH 值为6.85，在180 ℃条件下保温30 min，反应结束后，冷却至不同温度进行泥浆抽滤脱水，考察过滤温度对污泥脱水效果的影响，结果见图5。

图5 过滤温度对污泥脱水效果的影响Fig. 5 Effect of filtration temperature on sludge dewatering

由图5 可知，泥浆分别冷却到50、 60、 70、 80、90 ℃时过滤，水热滤渣含水率分别为63.84%、55.63%、 52.68%、 48.86%、 48.75%，脱水率分别为58.22%、 70.21%、 73.40%、 77.10%、 77.19%。分析表明，在80、 90 ℃较高温条件下过滤脱水效果好，滤渣含水率低于50%，而在较低温条件下滤渣的含水率则高于50%，其原因可能是高温条件下溶解的高分子有机物在较低温度下重新析出变成凝胶絮体物质，吸附大量水分，造成滤渣含水量升高，具体原因有待进一步探究。因此，选择在80 ℃条件下进行泥浆固液分离，可获得较好脱水效果。

2.6 优化条件下污泥脱水效果

向200 g 生污泥中加入100 mL 水，调节泥浆pH 值为6.85，反应温度为180 ℃，保温时间为30 min，反应结束后，将泥浆冷却到80 ℃进行真空抽滤脱水。 3 次平行试验的水热滤渣含水率分别为48.65%、 48.51%、 48.91%，平均含水率为48.69%；污泥脱水率分别为77.58%、 77.61%、 77.13%，平均脱水率为77.44%。试验结果表明，在优化条件下水热法工艺对污泥的脱水效果良好。